近年来，我国建筑业发展迅速，每年建筑石材年消耗量均>2.6亿m³。花岗岩废粉是花岗岩石材加工过程中产生的一种废料，因缺乏专门的回收手段，在石材厂附近造成大量堆积，并对当地生态造成巨大影响。因此，解决花岗岩废粉资源再利用问题迫在眉睫 ^[1,2,3]。

　　 混凝土是房屋建设或其他基础设施建设过程中最主要的材料之一，主要使用水泥和粗、细骨料搅拌而成，而水泥被认为是造成空气污染的主要原因之一。据报道，全球CO₂年排放量的5%是生产水泥过程中产生的 ^[4,5]。因此若能将花岗岩废粉代替水泥掺入混凝土中，不仅可节约成本，提高资源再利用效率，还可保护环境。

　　 混凝土使用过程中，内部往往配置不同规格的钢筋以满足结构要求。在实际环境条件下，大气中的水分、CO₂和不同阴离子(如Cl^-)等会对混凝土中的钢筋造成腐蚀，从而对结构耐久性造成影响，使其无法满足使用要求。Y.S.Choi等 ^[6]发现GWD可有效延缓钢筋混凝土腐蚀时间，改善混凝土耐久性，同时对其力学性能不会造成影响。T.Ramos等 ^[7]研究认为当混凝土中GWD掺量>5%时，无法进一步提高其抗裂性能。但目前的研究对于GWD混凝土在不利条件下的力学变化规律及混凝土腐蚀机理尚不明确。因此本文考虑使用不同GWD掺量制备混凝土，并通过室内强度试验、质量损失试验、电化学腐蚀试验及扫描电镜试验研究花岗岩废粉在不利条件下的力学性能和耐久性，从而对GWD用作混凝土掺合料的适用性进行初步探讨。

　　 试验所用硅酸盐水泥(P·II 42.5)，产自马什哈德市水泥厂，相对密度为3.2;GWD相对密度为2.61。采用X射线衍射技术(XRD)分别对水泥和GWD化学组成进行分析，测试结果如表1,2所示。由表1,2可知，水泥主要成分为SiO₂和CaO，其中CaO约占63.6%，而GWD主要成分为Si O₂和Al₂O₃,SiO₂约占总质量的70.2%。分别对2种材料的粒度进行筛分，结果如图1所示。粗骨料为5～25mm连续级配花岗岩碎石，细骨料选用天然河砂(0.3～4.75mm)。拌合与养护用水为自来水。钢筋混凝土(RC)中选用的钢筋为16×200的A615钢筋。

　　 本试验采用GWD废粉代替水泥掺入混凝土，其掺量分别为5%,10%,20%。保持总的胶凝材料用量和水胶比不变，共制备4组混凝土试样，配合比如表3所示。

　　 1)力学性能测试根据ASTM C39的规定，采用150×300圆柱形模具成型试件，静置24h后脱模，并浸入饱和石灰水中进行养护，分别测定7,14,28d抗压强度。另外，为确定处于不利环境下混凝土试样的抗压强度，将在饱和石灰水养护28d后的混凝土试样分别浸入浓度为5%的NaCl或H₂SO₄溶液中，并分别测定其浸入后7,28,91d抗压强度。根据ASTM C496中的规定，对混凝土7,14,28d劈裂抗拉强度进行测试，每组采用3个样品的平均值作为混凝土强度值。

　　 2)质量损失试验制备100mm×100mm×100mm的立方体试样，并浸入饱和石灰水中养护28d，取出试样，并测定样品初质量为M_i。随后将试样放置于浓度为5%的H₂SO₄溶液中。为保持H₂SO₄溶液pH值恒定，每周对溶液进行更换补充。并每隔一定时间从溶液中取出试样，将试样表面残渣用水冲洗干净，在常温下干燥1h，测定样品质量M_t，计算样品的质量损失率=(M_t-M_i)/M_i×100%。

　　 3)电化学腐蚀试验采用开路电压-时间曲线法(OCP)评估钢筋混凝土中钢筋腐蚀状态。采用100×200的圆柱形模具制备试样，试样中间放置1根钢筋，并在饱和石灰水中养护28d。将试样分为2组，分别浸泡在NaCl和H₂SO₄溶液中。试验采用Zive Lab电化学工作站和经典的三电极测试系统，工作电极为A615钢筋，辅助电极为大面积铂片，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，对浸泡于NaCl或H₂SO₄溶液91d后的试样进行开路电压测试。

　　 4)扫描电镜测试采用JSM-5600LV型扫描电子显微镜对分别浸泡于NaCl或H₂SO₄溶液的混凝土表观形貌进行观测分析。

　　 图2为GWD替代水泥后混凝土在不同龄期下的抗压强度。由图2可知，在同一龄期下，随着GWD掺量的增加，混凝土抗压强度呈逐渐增长趋势。当GWD掺量为10%时，混凝土抗压强度值最高。与未掺GWD混凝土相比，混凝土掺入GWD后，其7,14,28d抗压强度增长率分别为14%,16%,11%。较细的GWD粉末可有效填充混凝土中空隙，增强界面过渡区(ITZ)的均匀性和稳定性，从而显著提高混凝土强度，这也与前人的研究结论相同。而当GWD掺量继续增加达20%后，混凝土抗压强度值反而降低，其7,14,28d抗压强度降幅分别为5.5%,6.0%,3%。这是由于过量的GWD由于不能发生水化反应生成C-S-H凝胶，同时部分GWD粉末会悬浮于混凝土表面，阻碍水化反应进程，从而导致强度降低。

　　 图3为在H₂SO₄溶液浸泡条件下，不同GWD掺量混凝土抗压强度。由图3可知，混凝土经过H₂SO₄溶液侵蚀后，抗压强度均显著降低，随着浸泡时间的延长，混凝土抗压强度损失率逐渐增大。一方面是因为H₂SO₄溶液会与混凝土中的Ca(OH)₂发生中和反应，降低混凝土内部水化反应进程，而混凝土内部微空隙结构会进一步促进反应的发生。另一方面由于混凝土中的矿物质被分解生成大量钙矾石、石膏晶体后导致混凝土内部膨胀压力增大，从而使混凝土开裂，两者共同作用导致其强度发生降低。另外，随着GWD掺量的增加，混凝土强度损失率逐渐减小，当GWD掺量为20%时，其91d抗压强度损失率由55%降低至43.5%。较细的GWD粉末可有效填充混凝土内部空隙，改善混凝土微观结构，从而减缓H₂SO₄溶液腐蚀作用。

　　 图4为在NaCl溶液浸泡条件下不同GWD掺量混凝土抗压强度。由图4可知，与浸泡在H₂SO₄溶液中的结果相反，混凝土抗压强度并没有降低，说明氯化物不会侵蚀混凝土结构而导致其强度下降。另外，随着GWD掺量的增加和浸泡时间的延长，混凝土试件强度均表现出不同程度的增长，当GWD掺量为10%，浸泡时间为91d时，混凝土抗压强度最高为57MPa，增长率为63.4%。而随着GWD掺量继续增长，混凝土抗压强度发生降低，但仍显著高于未浸泡前的强度。

　　 图5为不同掺量下混凝土劈裂抗拉强度。由图5可知，当GWD掺量为10%时，混凝土劈裂抗拉强度最高，其7,14,28d劈裂抗拉强度分别为1.93,2.25,2.67MPa。当GWD掺量为20%时，混凝土劈裂抗拉强度最低，这与抗压强度的结果相同。

　　 图6为不同GWD掺量下混凝土浸泡于H₂SO₄溶液后的质量损失率。由图6可知，当混凝土中未掺GWD时，在未浸入H₂SO₄溶液前(0～28d)的质量有所增加，增长幅度最大为1.7%，随着腐蚀时间的延长，混凝土质量损失率呈逐渐增大趋势，当腐蚀时间为120d时达到最高值17.1%。而随着GWD掺量的增加，混凝土质量损失率逐渐减小，当GWD掺量为20%时对应的质量损失率最低。这是由于硫酸会与混凝土中的矿物质发生反应，从而破坏混凝土结构组成，并降低其耐久性，而空隙率大小会显著影响腐蚀反应的进行。当混凝土中掺入GWD后，较细的GWD会有效填充混凝土中的空隙，改善其微观结构，从而减缓腐蚀反应的程度。

　　 图7为不同GWD掺量下混凝土分别在NaCl溶液和H₂SO₄溶液中开路电位变化曲线。根据ASTM C876—91规范中评估钢筋腐蚀可能性的不同，将开路电压分为3个区域(>-200mV/CCS，几乎不腐蚀;-350～-200mV/CCS，可能腐蚀;<-350mV/CCS，大概率腐蚀)。

　　 由图7可知，当钢筋混凝土未浸入2种溶液前(0～28d)，开路电位发生正移，表明电极表面状态发生明显变化，这是由于钢筋表面在Fe³⁺的作用下发生钝化作用，表面生成致密的钝化膜所致。而当钢筋混凝土浸入2种腐蚀溶液后，随着腐蚀时间的延长，开路电位呈逐渐增大趋势，混凝土中钢筋受腐蚀的可能性显著增大。这是因为溶液中的Cl^-和SO₄^-等腐蚀性阴离子会破坏钢筋表面的钝化膜，从而使钢筋更易腐蚀，而混凝土空隙结构越多则会进一步促进阴离子侵入，从而加剧钢筋腐蚀作用。而随着GWD掺量的增加，混凝土中的空隙被逐渐填充并减缓阴离子的侵入速度，从而进一步延长钢筋混凝土在低腐蚀性开路电位区域的时间。

　　 对比图7a和图7b可知，相比Na Cl溶液，钢筋混凝土在H₂SO₄溶液中向更易腐蚀的开路电位区域转移时间更短，开路电压更低。这是因为H₂SO₄溶液不仅会通过混凝土中的空隙进行渗入腐蚀，还会与混凝土中的Ca(OH)₂生成石膏和钙矾石等物质，造成混凝土内部压力的增加，导致其发生开裂，从而进一步加剧H₂SO₄溶液的浸入和腐蚀作用。由此说明，H₂SO₄溶液相比Na Cl溶液更易使钢筋腐蚀。

　　 图8为浸泡于H₂SO₄溶液和NaCl溶液中的混凝土表面形貌。由图8a可知，混凝土浸泡于H₂SO₄溶液后由于被硫酸腐蚀，表面出现大量石膏和钙矾石等晶体物质，造成表面凹凸不平，同时增大了结构的空隙率，从而使水和SO₄^-更易浸入混凝土中并对钢筋造成腐蚀。对比图8b发现，混凝土浸泡于NaCl溶液后，表面较平整，说明Cl^-并不会对混凝土的结构造成破坏。再次验证H₂SO₄溶液相比Na Cl溶液更易造成钢筋混凝土的腐蚀。

　　 1)GWD通过填充混凝土中空隙改善其密实程度，达到加筋补强的作用，并提高其力学性能。当GWD掺量为10%时，混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度达到最高。

　　 2)Na Cl溶液不会降低混凝土强度，但当混凝土中掺入过量的GWD后，部分GWD粉末由于悬浮于混凝土表面，阻碍混凝土中水化反应的进程，从而导致强度发生降低。

　　 3)质量损失试验结果表明，当使用GWD代替水泥掺入混凝土中可显著提高混凝土抵抗酸性物质腐蚀的能力。随着GWD掺量的增加，混凝土抗腐蚀性能越好。

　　 4)相比于Na Cl溶液，H₂SO₄会与混凝土中矿物发生反应，生成石膏、钙矾石等晶体物质，增大混凝土内部压力，使其开裂，加剧H₂SO₄溶液对混凝土中钢筋的腐蚀作用。